Instrumento de aquisição e processamento de imagens de olhos

Abstract

This work describes the development of an innovative device designed to support the medical diagnosis and to study human balance disorders, which are responsible for manifestations like dizziness, loss of balance and nausea. Several techniques used for balance evaluation are subjective, invasive or inaccurate. The technique proposed by this research is non-invasive and objective, since it is based on digital image processing. The vestibular apparatus, located in the inner ear, is responsible for the maintenance of the human balance. Selective head movements are induced on the patient to stimulate each one of the semicircular canals that are part of the vestibular apparatus. The stimulation of the canals cause the generation of the vestibulo-ocular reflex, which produces compensatory eye movements proportional to the head movements. Images of the eyes are captured by cameras attached to an equipment, which blocks the vision and illuminates the eyes with infrared light. A personal computer digitalizes the images with a framegrabber. The digitalized eye images are processed by an algorithm developed to calculate the center of the pupil on each frame. A developed program displays on screen the result of the eye movement quantification in two graphs - one for vertical movement and the other for horizontal movement. The data displayed in the graphs can be exported to a file for posterior visualization. The correct interpretation of the graphs carried out by the specialist facilitate the diagnosis process of several vestibular and neuronal hypofunctions. In order to validate the algorithm that calculates the center of the pupil, a library was developed to generate synthetic images of the eye. This library was used to generate several synthecized images of the eye in movement in different real situations observed during this work. These images were processed by the algorithm to determine the error between the synthecized center and the calculated center.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um instrumento inovador para apoio ao diagnóstico medico e às pesquisas relativas às doenças que afetam o equilíbrio humano. Estas doenças são responsáveis por manifestações como tonturas, perda de equilíbrio, náuseas e enjôos. Diversas técnicas utilizadas para avaliar as funções do equilíbrio são subjetivas, invasivas ou imprecisas. A técnica proposta por este trabalho baseia-se em processamento digital de imagens dos olhos, possibilitando a confecção de um instrumento objetivo, preciso e não invasivo. O sistema vestibular humano, localizado na orelha interna, é fundamental para a manutenção do equilíbrio. Movimentos seletivos de cabeça são usados para estimular cada um dos canais semi-circulares, que compõem o sistema vestibular. Através do reflexo vestíbulo-motor, são produzidos movimentos de olhos que correspondem compensatoriamente aos estímulos dos canais semi-circulares. Imagens dos olhos são capturadas por câmeras fixas a um equipamento, que isola os olhos da luz externa e os ilumina com luz infravermelha. Um computador pessoal digitaliza as imagens com auxílio de uma placa de captura. As imagens capturadas são processadas por um algoritmo desenvolvido onde, em cada quadro, o centro da pupila é calculado. Um programa desenvolvido apresenta o resultado da quantificação do movimento dos olhos na tela em dois gráficos - um para o movimento vertical e outro para o movimento horizontal. Os dados apresentados no gráfico podem ser exportados para um arquivo para visualização posterior. A correta interpretação dos gráficos pelo médico especialista facilita o diagnóstico de hipofunções do sistema vestibular e sistema nervoso .Com o objetivo de se validar o algoritmo que calcula o centro da pupila, foi construída uma biblioteca geradora de imagens sintéticas de olho. Diversas imagens sintéticas foram geradas, que simularam diferentes situações, baseadas em situações reais observadas durante o trabalho. Estas imagens foram processadas e em cada uma avaliou-se o erro do algoritmo ao determinar o centro da pupila.